(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、干渉縞の測定に際し、光強度の異なる箇所が同一視野内に混在している場合においても、Ｓ／Ｎ比よく位相情報を抽出することができる干渉画像測定装置を提供することにある。【解決手段】  干渉光を検出して干渉縞画像を撮像する画像検出手段１２を備え、撮像した干渉縞画像に基づいて位相情報を取得する干渉画像測定装置１０であって、  検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基き、前記画像検出手段１２に入射する光量を調整、もしくは前記画像検出手段１２の信号レベル範囲を調整して干渉縞画像を撮像することによって、  同一視野内の領域ごとに異なる光強度振幅を有する干渉光から、各領域での光強度振幅の範囲を画像検出手段の信号レベル範囲と適合するように調整された一つの干渉縞画像を取得することを特徴とする干渉画像測定装置。【選択図】      図５
2006017613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉光を検出して干渉縞画像を撮像する画像検出手段を備え、撮像した干渉縞画像に基づいて位相情報を取得する干渉画像測定装置であって、
検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基き、前記画像検出手段に入射する光量を調整、もしくは前記画像検出手段の信号レベル範囲を調整して干渉縞画像を撮像することによって、
同一視野内の領域ごとに異なる光強度振幅を有する干渉光から、各領域での光強度振幅の範囲を画像検出手段の信号レベル範囲と適合するように調整された一つの干渉縞画像を取得することを特徴とする干渉画像測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の干渉画像測定装置において、
領域毎の光強度振幅の情報に基づいて前記画像検出手段の検出信号レベルを設定する検出レベル設定手段と、
複数の干渉画像から一部分を抽出し、それらを合成して一つの干渉縞画像とする画像処理手段と、を備え、
前記検出レベル設定手段により、画像検出手段の階調範囲を各領域での光強度振幅の範囲に適合するように変更して複数の干渉縞画像を撮像し、前記画像処理手段により、各領域毎に階調範囲が適切に設定された前記複数の干渉縞画像を合成して一つの干渉縞画像を取得することを特徴とする干渉画像測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の干渉画像測定装置において、
領域毎の光強度振幅の情報を基に、画像検出手段へ入射する入射光量を調節する入射光量調節手段と、
領域毎に適切な検出レベルで撮像された複数の干渉縞画像から一部分を抽出し、それらを合成して一つの干渉縞画像とする画像処理手段と、
を備え、
前記入射光量調節手段によって所定領域からの入射光量を調整することで、該領域の光強度振幅を画像検出器の階調範囲に適合するように調整し、前記画像処理手段により、各領域毎に階調範囲が適切に設定された前記複数の干渉縞画像を合成して一つの干渉縞画像を取得することを特徴とする干渉画像測定装置。
【請求項４】
請求項２または３のいずれかに記載の干渉画像測定装置において、
測定干渉光を複数の光束に分割する光分割手段を備え、
前記画像検出手段は、前記光分割手段によって分割された各光束を検出する複数の画像検出器を含み、
前記複数の画像検出器により特定の光強度振幅を持つ領域毎に、光強度振幅に対して適切に調整された複数組の干渉画像を提供することを特徴とする画像測定装値。
【請求項５】
請求項１に記載の干渉画像測定装置において、
特定の領域の光を選択的に減衰する減衰領域選択手段を備え、前記減衰領域選択手段を光路中に挿入することで前記特定領域内の光強度振幅を調整して、同一視野内の各領域の干渉光の光強度振幅を略同一にすることを特徴とする干渉画像測定装置。
【請求項６】
干渉光を検出して干渉縞画像を撮像する画像検出手段を備え、撮像した干渉縞画像に基づいて位相情報を取得する干渉画像測定装置であって、
前記画像検出手段は、検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基き、受光面のピクセル毎または領域毎に、ゲインおよび／または露光時間が設定可能に構成されたことを特徴とする干渉画像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波干渉測定等に用いられる干渉画像測定装置、特にその干渉画像の取得機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の干渉を利用して被測定物の長さ、形状などの測定を行う光波干渉測定では、ＣＣＤカメラなどの画像検出器を用いて干渉縞を撮像し、得られた干渉画像から測定に必要な位相情報を得る。例えば、特許文献１に記載されるような非密着光波干渉測定では、被測定物（ＧＢ：ブロックゲージ）の長さを算出するために必要となる位相情報は、被測定物の端面の領域における干渉縞と、その周囲の領域の干渉縞から得られる。つまり、図１に示すように、位相情報は干渉画像上で同一視野内にある複数地点から取り出す必要がある。具体的には、片側端面における周囲領域とＧＢ領域における位相差情報Φを、周囲領域上の２点Ａ１およびＡ２における位相情報ΦＡ１とΦＡ２と、ＧＢ領域中心点Ｂでの位相情報ΦＢから、
Φ＝（ΦＡ１＋ΦＡ２）／２−ΦＢ
と算出する。
【特許文献１】特開２００３−１９４５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで問題となるのが周囲領域とＧＢ領域における干渉縞の光強度振幅幅がそれぞれ異なる場合である。つまり、周囲領域では通過光と参照光による干渉信号が得られるのに対し、ＧＢ領域ではＧＢ端面からの反射光と参照光による干渉信号になる。これを光強度について考えると、図２に示すように、ＧＢ面の反射率をｘ％の場合、ＧＢ領域で得られる信号の振幅は周囲領域のｘ％となる。
ところで信号を高分解能で取得するためには、光強度振幅の最大最小値が画像検出器の階調の範囲内に納まり、かつ無駄なく使いきる事が有効である。しかし、鋼のＧＢ面がほぼ１００％の反射率であるのに対し、ジルコニアセラミックスのＧＢでは十数％、ガラスに至っては５％程度と、材質によって反射率は大きく異なり、低反射率の面においては光強度が極端に低下する危険性がある。つまり、図３に示すように、鋼のＧＢ領域での光強度振幅Ａ鋼ＧＢと周囲領域の光強度振幅Ａ周囲はほぼ等しくなるのに対して、反射率の低いセラミクスのＧＢ領域の光強度振幅ＡセラＧＢは周囲領域の光強度振幅Ａ周囲よりも小さくなってしまう。
【０００４】
上述のように同一視野内に極端に反射率が異なる部分が混在する場合、光強度振幅が大きい部分にカメラの階調範囲を合わせる必要があるため、強度振幅が小さい部分では分解能が下がることが考えられる。したがって、図４に示すように、光強度振幅が小さい領域では光強度振幅がカメラの性能に起因するノイズや、レンズなどの光学系で発生するノイズに強く影響を受け、結果的に高精度な測定を阻害する要因となる。つまり、同一画像内に光強度振幅が著しく異なる領域が混在する場合には画像検出器の階調を十分に使い切ることが不可能であり、結果的に位相信号のＳ／Ｎ比が悪化する危険性がある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、干渉縞の測定に際し、光強度の異なる箇所が同一視野内に混在している場合においても、Ｓ／Ｎ比よく位相情報を抽出することができる干渉画像測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明の干渉画像測定装置は、干渉光を検出して干渉縞画像を撮像する画像検出手段を備え、撮像した干渉縞画像に基づいて位相情報を取得する干渉画像測定装置であって、検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基き、前記画像検出手段に入射する光量を調整、もしくは前記画像検出手段の信号レベル範囲を調整して干渉縞画像を撮像することによって、同一視野内の領域ごとに異なる光強度振幅を有する干渉光から、各領域での光強度振幅の範囲を画像検出手段の信号レベル範囲と適合するように調整された一つの干渉縞画像を取得することを特徴とする。
【０００６】
上記の干渉画像測定装置において、領域毎の光強度振幅の情報に基づいて前記画像検出手段の検出信号レベルを設定する検出レベル設定手段と、複数の干渉画像から一部分を抽出し、それらを合成して一つの干渉縞画像とする画像処理手段と、を備え、前記検出レベル設定手段により、画像検出手段の階調範囲を各領域での光強度振幅の範囲に適合するように変更して複数の干渉縞画像を撮像し、前記画像処理手段により、各領域毎に階調範囲が適切に設定された前記複数の干渉縞画像を合成して一つの干渉縞画像を取得することが好適である。
【０００７】
上記の干渉画像測定装置において、領域毎の光強度振幅の情報を基に、画像検出手段へ入射する入射光量を調節する入射光量調節手段と、領域毎に適切な検出レベルで撮像された複数の干渉縞画像から一部分を抽出し、それらを合成して一つの干渉縞画像とする画像処理手段と、を備え、前記入射光量調節手段によって所定領域からの入射光量を調整することで、該領域の光強度振幅を画像検出器の階調範囲に適合するように調整し、前記画像処理手段により、各領域毎に階調範囲が適切に設定された前記複数の干渉縞画像を合成して一つの干渉縞画像を取得することが好適である。
【０００８】
上記の干渉画像測定装置において、測定干渉光を複数の光束に分割する光分割手段を備え、前記画像検出手段は、前記光分割手段によって分割された各光束を検出する複数の画像検出器を含み、前記複数の画像検出器により特定の光強度振幅を持つ領域毎に、光強度振幅に対して適切に調整された複数組の干渉画像を提供することが好適である。
上記の干渉画像測定装置において、特定の領域の光を選択的に減衰する減衰領域選択手段を備え、前記減衰領域選択手段を光路中に挿入することで前記特定領域内の光強度振幅を調整して、同一視野内の各領域の干渉光の光強度振幅を略同一にすることが好適である。
【０００９】
また、本発明の干渉画像測定装置は、干渉光を検出して干渉縞画像を撮像する画像検出手段を備え、撮像した干渉縞画像に基づいて位相情報を取得する干渉画像測定装置であって、前記画像検出手段は、検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基き、受光面のピクセル毎または領域毎に、ゲインおよび／または露光時間が設定可能に構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基づき、前記画像検出手段に入射する光量を調整、もしくは前記画像検出手段の検出信号レベルを調整して干渉縞画像を撮像することによって、同一視野内の領域ごとに異なる光強度振幅を有する干渉光から、各領域での光強度振幅の範囲を画像検出手段の階調範囲と適合するように調整された一つの干渉縞画像を取得することとしたため、光強度の異なる箇所が同一視野内に混在している場合においても、Ｓ／Ｎ比よく位相情報を抽出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。また、以下の実施形態においては、各領域の光強度振幅と、それを検出器の階調範囲に適合させるための情報は事前に取得済みであり既知とする。
実施形態１
図５は本発明の第１の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図である。図５の実施形態の干渉画像測定装置１０は、干渉光を検出して干渉縞画像を取得するための画像検出手段（画像検出器１２）と、該画像検出器１２の検出信号レベルを設定する検出レベル設定手段１４と、複数の干渉画像から一部分を抽出し、それらを合成して一つの干渉縞画像とする画像処理手段１６と、を備える。検出レベル設定手段１４により画像検出器１２の階調範囲を、干渉縞画像の所定の領域の光強度振幅の範囲に略等しくなるよう調整し、干渉画像を撮像する。つまり、その領域において画像検出器の階調範囲を無駄なく使いきれるよう、画像検出器の階調範囲とその領域の光強度振幅の範囲が適合するように調整する。さらに、調整する領域を変更して干渉画像を撮像し、複数の干渉縞画像を取得し、こうして得られた複数の干渉画像から、画像処理手段１６によって調整された領域を切り貼りして一つの干渉画像が作成される。
【００１２】
画像検出器１２は、ＣＣＤカメラ等の画像検出器で構成される。本実施形態では画像検出器１２はコンピュータ１８等に接続され、該コンピュータ１８は検出器の設定、取得データの記録などを行う。画像検出器１２で所得した干渉縞画像情報は、コンピュータ１８の記憶手段２０に記憶される。画像処理手段１６は、記憶手段２０に記憶された干渉縞画像に対して画像処理を行うものである。
検出レベル設定手段１４は、画像検出器１２の検出レベルの設定を行うためのものである。検出レベルの調整は検出器のゲインを切り替える、シャッター速度（露光時間、すなわち光の蓄積時間）を切り替える等の方法で行えばよい。
以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。ここでは、特許文献１に記載された非密着光波干渉測定による寸法測定を想定して説明を行う。
【００１３】
本実施形態では、同一視野（撮像領域全体）内の画像を複数の領域に分け（ただし、一つの領域内では光強度振幅が略一定になるように分ける）、各領域ごとに干渉画像の取得を行う。つまり、非密着光波干渉測定の例でいうと、ＧＢ領域の干渉縞画像の取得と、周囲領域での干渉縞画像の取得をそれぞれ別個に行う。そして、検出レベル設定手段１４によって画像検出器１２の階調範囲を各領域での光強度振幅の範囲に適合するように設定し、複数の干渉縞画像をそれぞれ撮像する。すると、図６の（ａ）に示したような周囲領域において階調が適切に調整された干渉縞画像と、図６の（ｂ）に示したようなブロックゲージ領域において階調が適切に調整された干渉縞画像とが得られ、コンピュータ１２の記憶部２０に記憶される。
【００１４】
画像処理手段１６では、周囲領域において階調が適切に設定された画像（図６の（ａ））から周囲領域部分の画像を切り出す（図６の（ｃ））。同様にＧＢ領域において階調が適切に設定された画像（図６の（ｂ））からＧＢ領域部分の画像を切り出す（図６の（ｄ））。こうして得られた２つの画像（図６の（ｃ），（ｄ））を組み合わせて一つの干渉縞画像を合成する（図６の（ｅ））。
このようにして得られた干渉縞画像を用いれば、画像内の全ての領域で階調が適切に調整されたものが得られるため、Ｓ／Ｎ比のよい測定が可能となる。つまり、周囲領域とＧＢ領域それぞれの領域のみでカメラの階調を使い切るように調整された干渉画像を別個に取得し、それらを領域毎に組み合わせることで従来技術の問題点を解決したのである。
【００１５】
図７は、画像検出器のゲイン切り替えによる階調の調整の説明図である。ここでは、ブロックゲージの端面の領域での光強度振幅ＡＧＢが周囲領域の光強度振幅Ａ周囲よりも小さい場合を仮定している。図７（ａ）は、画像検出器の階調範囲を周囲領域の光強度振幅Ａ周囲に合わせた場合を示している。また図７（ｂ）は、図７（ａ）のときよりも検出器のゲインを大きくとり、ブロックゲージ端面の領域における光強度振幅ＡＧＢの検出信号が、検出器の階調範囲に適合するようにしている。図７（ｂ）の場合では、周囲領域での光強度振幅Ａ周囲は、検出器の階調範囲を超えてしまうため飽和しているが、ブロックゲージ端面の領域では検出器の階調範囲は適切に設定されている。
【００１６】
図８は検出器のシャッター速度を変えて調整する方法の説明図である。図８（ａ）は、画像検出器の階調範囲を周囲領域の光強度振幅Ａ周囲に合わせた場合を示している。図８（ｂ）は、検出器のシャッター速度を遅く（露光時間を長く）し、ＧＢ領域からの干渉光の検出光強度振幅ＡＧＢが検出器の階調範囲に適合するようにしている。図８（ｂ）の場合では、周囲領域での光強度振幅Ａ周囲は、検出器の階調範囲を超えてしまうため飽和しているが、ブロックゲージ端面の領域では検出器の階調範囲は適切に設定されている。
また、位相シフト法によって光波干渉測定を行う場合、異なる位相シフト量の画像を複数撮像する必要があるが、画像取得の順序には特に制限はない。つまり、図９（ａ）に示すように、一回の位相シフト中の各ステップにおいて複数画像を取得しても、図９（ｂ）に示すように組毎に位相シフトを複数回実施してもよく、またこれらの組み合わせでもよい。
【００１７】
実施形態２
第１の実施形態では、光強度に合わせ、検出器を調整したが、逆に入射する光強度自身を調整してもよい。次にこの場合を説明する。
図１０は本発明の第２の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図である。図１０の干渉画像測定装置１１０は、画像検出手段（画像検出器１１２）と、領域毎の光強度振幅の情報を基に、画像検出手段へ入射する入射光量を調節する入射光量調節手段１１４と、画像検出手段（画像検出器１１２）と、複数の干渉画像から一部分を抽出し、それらを合成して一つの干渉縞画像とする画像処理手段１１６と、を備える。
【００１８】
ここで、入射光量調節手段１１４は光減衰板などで構成され、画像検出器１１２に入射する光量自体を調整する。つまり、光路中に挿入する光減衰板を変更することで透過する光量を調整できる。ただし、光減衰板の設置位置は、特に限定されない。
そして、第１の実施形態と同様に、干渉画像内の各領域の光強度振幅に合わせ、その光量が画像検出器１１２の階調範囲に適合するよう調整し、複数の干渉画像を撮像する。複数の干渉画像は、それぞれの異なった領域内でのみ適切に階調範囲が調整されている。これら複数の干渉縞画像から、画像処理手段１１６は、図６で説明したのと同様に、階調範囲が適切に調整された領域を切り貼りして一つの干渉画像を作成する。
【００１９】
実施形態３
次に複数検出器を使用する場合を説明する。干渉後の光をそれぞれ必要な領域数に分割し、あらかじめ特性が分かった、または特性の揃った検出器で領域毎に検出することで、従来技術の問題点を解決することが可能である。
図１１は本発明の第３の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図である。図１１の干渉画像測定装置２１０は、干渉光を複数の光束に分割する光分割手段２２２と、該光分割手段２２２によって分割された各光束を検出する複数の画像検出器２１２ａ，ｂと、画像処理手段２１６とを備える。光分割手段２２２は、ビームスプリッタなどの素子で構成されている。また、図１１では２光束に分割した例を示したが、分割する領域の数に応じて変更すればよい。
【００２０】
画像検出器２１２ａ，ｂの階調範囲は、それぞれの各領域の光強度振幅に適合するように設定されている。例えば、画像検出器２１２ａの階調範囲はＧＢ領域の光強度振幅に、画像検出器２１２ｂの階調範囲は周囲領域の光強度振幅に適合するよう調整する。また、この調整は第１の実施形態のように、検出器自体を調整してもよいし、第２の実施形態のように入射光量自体を調整してもよい。
それぞれの画像検出器２１２ａ，ｂで検出された干渉縞画像の情報は、コンピュータ２１８に送られ、記憶部２２０に記憶される。そして、第１の実施形態と同様に、画像処理手段２１６によって、複数の干渉縞画像から、各領域での階調範囲が適切に設定された一つの干渉縞画像を得る。このように複数の検出器を用いた構成とすることで、短時間で画像の取得を行うことができる。
【００２１】
上記の実施形態においては、異なる階調範囲に調整された複数の画像を用いて、階調範囲が適切に調整された干渉画像を得る場合を示したが、次にあげる実施形態４、５では一回の撮像で、同一視野内の全ての領域の階調範囲を適切に設定することができる。
実施形態４
図１２は本発明の第４の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図である。図１２の干渉画像測定装置３１０は、画像検出器３１２と、特定の領域の光を選択的に減衰する減衰領域選択手段３１４とを備えている。
減衰領域選択手段３１４は、減衰させたい領域の形状に合わせて製作された光減衰板などで構成される。この減衰領域選択手段３１４を必要に応じて光路中に挿入することで特定領域内の光強度振幅を調整し、同一視野内の各領域の干渉光の光強度振幅を略同一にする。例えば、非密着光波干渉測定を例に説明すると、図１３に示されるように、ＧＢ領域の部分に穴を設けた減衰板を光路中に挿入し、周囲領域光を減衰させＧＢ領域からの光とほぼ同等の強度振幅としている。すると、画像検出器３１２の階調範囲をＧＢ領域の光強度振幅に適合させることによって、自動的に周囲領域の光強度振幅とも適合する。その結果、一つの干渉縞画像を撮像するのみで、各領域での階調範囲が適切に設定された干渉縞画像を得ることができる。
【００２２】
実施形態５
図１４は本発明の第５の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図である。図１４の干渉画像測定装置４１０では、画像検出器４１２として、露光時間や信号読み出し時のゲインの設定が、受光面のピクセル毎（もしくは、所定の範囲ごと）に変更可能であるものを使用する。例えば、ＣＭＯＳ方式のものを用いればよい。
本実施形態の画像検出器４１２では、検出する干渉光の領域毎の光強度振幅情報と、該領域の空間的な配置情報とに基き、受光面のピクセル毎（もしくは領域毎）に露光時間、および／またはゲインの設定を行う。その結果、一回の画像の撮像で各領域での階調範囲が適切に設定された干渉縞画像を得ることができ、位相情報をＳ／Ｎ比よく抽出することができる。
以上説明したように、本発明の干渉画像測定装置によれば、光強度の異なる箇所が同一視野内に混在している場合においても、それぞれの箇所が適切な階調範囲に調整された干渉画像を得ることができるため、Ｓ／Ｎ比よく位相情報を抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】干渉画像内領域と位相情報の取得地点の説明図。
【図２】反射率と干渉縞の光強度振幅の関係についての説明図。
【図３】反射率による光強度振幅の違いについての説明図。
【図４】光強度と検出器階調の関係の説明図。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図。
【図６】本実施形態の装置における画像処理の説明図。
【図７】検出器で使用する階調の調整の説明図。
【図８】検出器で観測される光強度の調整の説明図。
【図９】位相シフト法で測定する場合の画像取得順序の説明図。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図。
【図１２】本発明の第４の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図。
【図１３】第４の実施形態の干渉画像測定装置の説明図。
【図１４】本発明の第５の実施形態にかかる干渉画像測定装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００２４】
１０        干渉画像測定装置
１２        画像検出器
１４        画像処理手段
１６        検出レベル設定手段
【図１】
2006017613.tif 000003
【図２】
2006017613.tif 000004
【図３】
2006017613.tif 000005
【図４】
2006017613.tif 000006
【図５】
2006017613.tif 000007
【図６】
2006017613.tif 000008
【図７】
2006017613.tif 000009
【図８】
2006017613.tif 000010
【図９】
2006017613.tif 000011
【図１０】
2006017613.tif 000012
【図１１】
2006017613.tif 000013
【図１２】
2006017613.tif 000014
【図１３】
2006017613.tif 000015
【図１４】
2006017613.tif 000016